無線Mesh網絡組播差錯控制協議性能的理論綜述

1、無線Mesh網絡組播差錯控制協議性能的理論綜述1引言隨著Internet的發(fā)展和商業(yè)化進程的加速，組播【1】以其節(jié)約網絡帶寬和減輕服務器負荷的優(yōu)勢獲得了越來越多的應用。無線Mesh網絡【2】作為最后一公里;寬帶無線接入的重要技術之一，具有高速度、低干擾、網絡覆蓋范圍大、結構靈活等特點。因此無線Mesh網絡中的組播應用越來越廣泛。但無線網絡帶寬低、丟包率高、穩(wěn)定性差的缺點，對無線Mesh網絡組播傳輸的可靠性來說是一個挑戰(zhàn)。差錯控制是保證組播傳輸可靠性的重要方法，而MAC層的控制協議因為具有處理延遲短等特點，使它成為目前研究的重點，其中基于領導者的系列組播差錯控制協議最為典型。本文對典型的無線Me

2、sh網絡組播差錯控制協議的性能進行分析，通過理論和實驗比較其優(yōu)劣性，以期改進出性能更優(yōu)的協議。本文結構主要如下，第2節(jié)介紹典型的無線Mesh 網絡組播差錯控制協議；第3節(jié)從理論上對協議進行性能分析；第4節(jié)實驗仿真結果；第5節(jié)對全文進行總結并給出下一步研究期望。2典型無線Mesh網絡組播差錯控制協議基于領導者的系列組播差錯控制協議以802.11 MAC標準的分布式協調機制為基礎，其基本思想是選擇一個代理（即領導者）來代表所有的接收者負責與發(fā)送者進行控制信息的交互，從而避免反饋信息沖突和爆炸。不同的基于領導者協議在非領導者是否有發(fā)言權、是否采用分層以及是否結合前向糾錯等方面存在差異，因而其在重傳次

3、數、信道占用時間及端到端平均時延等方面的性能不同。定義1 組播源節(jié)點或任意中間需要轉發(fā)數據的節(jié)點，在向下一跳發(fā)送或者轉發(fā)數據時稱為發(fā)送者。2.1LBPLBP【4】是最基本的領導者協議，其基本思想是在接收者中選出一個領導者，作為和發(fā)送者交互的代理。發(fā)送者發(fā)送數據后，如果領導者正確接收到了數據，則回復ACK確認，其它節(jié)點無論是否收到數據都不做任何回應。如果發(fā)送者收到領導者回復的ACK，則此次傳輸結束；如果發(fā)送者在一定時間內沒有收到ACK，則說明傳輸過程發(fā)生錯誤，開始重傳，直至能正確接收到ACK。如果非領導者沒有接收到正確數據，但領導者回復了ACK，則發(fā)送者會認為所有節(jié)點都已正確接收數據，不會再進行

4、重傳，所以無法保證非領導者節(jié)點接收到正確數據。LBP實現簡單，但由于非領導者沒有話語權，不能保證組播的可靠性。2.2BLBPBLBP【5】在LBP的基礎上，使非領導者能反饋NACK來告知自己未正確收到數據。BLBP要解決的關鍵問題是如何統一接收者接收數據以及進行反饋的時間。為此，BLBP增加一個信標幀BEACON幀，BEACON幀格式如圖1所示。持續(xù)時間標識的是即將發(fā)送的數據的持續(xù)時間，這樣可以使所有接收者能在收到BEACON幀同時確定數據發(fā)送完成的時間，即同步了所有接收者的時間。幀序號標識了當前發(fā)送幀的序號，重傳時已正確接收到數據的節(jié)點可以直接丟棄重復的幀。BLBP的基本思想是：發(fā)送者在發(fā)送

5、數據之前，廣播BEACON幀，這樣所有節(jié)點在收到BEACON幀后可根據持續(xù)時間設定自己回復ACK/NACK時間；領導者在成功接收數據后，回復ACK，如果未正確接收，則不回應；非領導者成功接收則沉默，否則回復NACK。如果發(fā)送者收到ACK，則本次組播成功結束，收到NACK或者ACK等待超時則本次組播失敗，進行重傳，直到發(fā)送者正確接收到領導者回復的ACK時，結束本次組播。分析BLBP可知，領導者和非領導者接收數據的情況有三種。如果所有節(jié)點都成功接收數據，發(fā)送者會收到ACK；如果是領導者或者某些非領導者未收到正確數據，發(fā)送者會在ACK等待超時或者收到NACK后進行重傳；如果領導者正確接收而其他節(jié)點有

6、錯誤，則會同時回復ACK和NACK，這樣會因為信道沖突導致信道噪音，發(fā)送者會因為無法正確接收到ACK而在等待超時后進行重傳。這三種情況下，BLBP都能保證所有接收者正確接收數據，因此BLBP能保證組播可靠性。但是BLBP僅考慮了單跳情況，在多跳的無線Mesh網絡環(huán)境中性能較差。2.3LBLBP為了使BLBP能適用于多跳環(huán)境，LBLBP【6】在BLBP的基礎上加入分層的概念，將組播的糾錯過程逐跳的進行。LBLBP子層內用改進的BLBP協議進行可靠性保障，且定義了層內和層間的競爭機制。定義2從組播源節(jié)點開始，按照每增加一跳將組播劃分一層，即到源節(jié)點跳數相同的節(jié)點處于同一層。定義3如果某一層中有節(jié)點

7、需要向下轉發(fā)數據，那么將該節(jié)點和接收它轉發(fā)數據的節(jié)點劃分成一個子層。在出現錯誤時，如果是單跳情況下，發(fā)送者只有一個，可以緊接著重傳；但在多跳環(huán)境下，除子層內發(fā)送者外，還有其他的轉發(fā)節(jié)點在競爭信道，所以要對競爭加以限制，因此加入L-C/L-R（Layer-Clear/Layer-Retransmission）幀來標識子層內傳輸完成情況。若子層內所有接收者都正確接收到了數據，則發(fā)送者組播L-C幀，告知此次發(fā)送成功；如果本次組播出錯，則發(fā)送者組播L-R幀，等待一定時間后發(fā)送者立刻開始重傳過程。由于存在多個中間節(jié)點需要轉發(fā)數據，因此要協調節(jié)點對信道的使用，LBLBP定義了層內和層間的競爭機制。同層節(jié)點

8、間遵循重傳優(yōu)先，轉發(fā)平等的原則。假設節(jié)點A本次轉發(fā)失敗，需要進行重傳，此時同層其他節(jié)點偵聽到A的L-R幀后會根據A的持續(xù)時間域繼續(xù)等待，以保證A能優(yōu)先重傳。層間采用的是下層節(jié)點轉發(fā)優(yōu)先的原則，保證數據幀能盡快向下傳遞，減小時延。如圖2，B、C是A的下層節(jié)點。A在成功完成數據傳輸后，若仍要繼續(xù)發(fā)送，則需將競爭窗口設置為最小窗口的2倍再參與信道競爭，而B、C節(jié)點只要設為最小競爭窗口即可參與信道競爭，從而保證數據能盡快向下轉發(fā)。分析LBLBP可知，由于子層內采用了改進的BLBP，因此它能保證組播的可靠性；同時LBLBP在多跳環(huán)境下定義了信道競爭機制，避免了無序競爭，能有效降低傳輸時延。但LBLBP也

9、存在以下問題：當任意接收者出錯時，發(fā)送者都要將數據包單獨重傳一次，這會大大增加重傳的次數，且花費在傳輸控制幀的時間開銷太大。2.4HLBLBPHLBLBP【7】在LBLBP的基礎上，采用前向糾錯FEC機制降低重傳次數，另外為了減少控制幀開銷，將BEACON幀與RTS幀通過融合形成新的MRTS幀，格式如圖4所示。HLBLBP的主要思想是：利用糾刪碼技術將一個數據塊的k個數據包編碼成k+n個包，其中n個包作為重傳包。數據傳輸過程分為兩部分。首先按照802.11規(guī)定標準發(fā)送前k-c個數據包，這樣可以減少信道競爭和控制幀開銷。其中c的取值取決于信道質量，在丟包率較小、鄰居節(jié)點競爭較少時，c取值比較小。

10、其次采用LBLBP機制發(fā)送余下的包，當發(fā)送完k個包后，發(fā)送者根據反饋信息決定是否要進行重傳糾錯。如果領導者正確收到了k個數據包，則反饋ACK，若接收的正確數據包小于k個，則不反饋任何信息；如果是非領導者正確接收到k個數據包，則不作反饋，若接收到的正確數據包小于k個，則回復NACK。發(fā)送者根據反饋，若收到ACK信息，則發(fā)送L-C幀，表示數據發(fā)送成功；若收到NACK或在一定時間內沒收到ACK幀，則發(fā)送L-R幀，表示需要進行糾錯。分析可知，HLBLBP同樣能夠保證組播的可靠性；由于引入了糾刪碼技術，在組播環(huán)境下單個的糾錯包能同時糾正不同接收者的不同錯誤，因此可以有效的減少重傳次數。雖然編碼解碼會增加

11、計算開銷和復雜性，占用更多的帶寬，但與LBLBP每次出錯都要重傳數據包相比，帶寬利用率還是更高。無線環(huán)境中某些節(jié)點到發(fā)送者的信道質量可能很差，只能收到很少的正確包，需要重傳的數據包數量就很大，這樣對信道質量較好的節(jié)點不公平，同時會增大數據包向下轉發(fā)的時延，影響整個網絡的性能。因此，公平性問題是基于領導者系列協議要解決的一個共同問題。3理論分析從上節(jié)分析可知LBP不能保證可靠性，而BLBP、LBLBP和HLBLBP三種協議都能保證可靠性，因此只對后三種協議的性能進行分析。重點分析協議的傳輸次數期望E（N）、數據包信道占用時間期望T（N）和端到端平均時延DK。假設本文用到的MAC層控制幀（RTS、

12、CTS、BEACON、ACK/NACK等）都可無差錯地傳輸到接收者。3.1傳輸次數期望5結束語本文從理論和實驗上分析了BLBP、LBLBP、HLBLBP等典型的無線Mesh網絡組播差錯控制協議的性能，結果表明三者均能保證組播的可靠性；其中BLBP主要適用于單跳環(huán)境，而LBLBP和HLBLBP能適用于多跳環(huán)境；在傳輸次數、信道占用時間、端到端平均時延等方面HLBLBP的整體性能最好。但HLBLBP也存在某些信道質量較差節(jié)點影響整個網絡的性能，對信道質量好的節(jié)點不公平，因此解決這個公平性問題是下一步的研究目標。參考文獻【1】周賢偉.IP組播與安全.北京：國防工業(yè)出版社，2006.【2】方旭明.下一

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